基于直接調(diào)制的模塊化多電平變換器（MMC）環(huán)流抑制方法研究

劉萬勛 毛玉賓 劉永民 劉軍會

摘 要：本文提出了一種基于直接調(diào)制的模塊化多電平變換器（MMC）二次環(huán)流抑制方法，通過對電容電壓紋波的預測，達到與間接調(diào)制抑制循環(huán)電流相同的結(jié)果。該方法的控制系統(tǒng)簡單，對硬件要求低，且簡化了循環(huán)電流抑制的控制方案。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平變換器（MMC）;循環(huán)電流;直接調(diào)制

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0143-03

Abstract： In this paper， a method of suppressing the secondary circulating current of modular multilevel converter （MMC） based on direct modulation was proposed. By predicting the voltage ripple of capacitor， the result was the same as that of suppressing the circulating current by indirect modulation. The control system of this method was simple， the hardware requirements were low， and the control scheme of circulating current suppression was simplified.

Keywords： modular multilevel converters;circulating current;direct modulation

2003年，R.Marquardt和A.Lesnicar提出了模塊化多電平變換器（MMC）的概念，并介紹了這種變換器的基本工作原理[1]。模塊化多電平具有模塊化、便于拓展、冗余實現(xiàn)簡單、波形質(zhì)量好等優(yōu)點，在柔性直流輸電、無功補償、諧波抑制、柔性直流輸電及新能源并網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應用[2，3]。循環(huán)電流僅僅在變換器內(nèi)流動[4]，主要以二次環(huán)流為主，不影響輸入、輸出波形質(zhì)量，但增加了功率器件的電流應力，無論在學術(shù)還是在應用中都以二次環(huán)流抑制為研究目的。目前，多數(shù)研究基本上以間接調(diào)制為基礎(chǔ)抑制二次環(huán)流。本文基于直接調(diào)制實現(xiàn)二次環(huán)流抑制的目的。

1 交直流解耦模型

模塊化多電主電路拓撲如圖1所示。首先對MMC系統(tǒng)進行建模，基于以下條件建立數(shù)學模型：子模塊參數(shù)相同、子模塊電容電壓平衡、不考慮載波頻率高頻分量影響、不考慮橋臂緩沖電感的損耗。

根據(jù)MMC個工作原理得到以下關(guān)系，

式（1）至式（3）即為MMC外部輸入輸出特性和內(nèi)部電壓特性的系統(tǒng)方程，實現(xiàn)了直流和交流的解耦。

2 直接調(diào)制下的循環(huán)電流抑制

間接調(diào)制直接把電容電壓實際值作為反饋量，具有抑制二次循環(huán)電流的能力。由于直接調(diào)制把電容電壓作為常數(shù)考慮，直接導致二次環(huán)流的產(chǎn)生?；诖耍绻A測電容電壓脈動值，并疊加到電容電壓常數(shù)上，則直接調(diào)制與間接調(diào)制效果相當。因此，為抑制二次循環(huán)電流，電容電壓紋波需要被計算。

3 試驗結(jié)果

試驗聯(lián)合高校樣機裝置，數(shù)學模型和二次循環(huán)電流抑制方法都采用本文所述方法?？刂瓢逵芍髁鱀SP及FPGA組成。試驗參數(shù)如表1所示。

圖2顯示了上、下橋臂的電容電壓試驗波形。在t1秒前，僅僅使用直接調(diào)制;t1秒后，電容電壓的紋波預測計算值被考慮，可以看出二次循環(huán)電流明顯減少。

圖3表示上、下橋臂電流、二次循環(huán)電流的試驗波形。t1秒后，二次循環(huán)電流明顯減少。

4 結(jié)論

本文推導給出了MMC系統(tǒng)交直流解耦的數(shù)學模型，提出了直接調(diào)制下二次循環(huán)電流抑制的方法，有助于深入理解MMC工作原理，并簡化了循環(huán)電流抑制的控制方案。

參考文獻：

[1] Lesnicar A，Marquardt R. An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range[C]// Power Tech Conference Proceedings， 2003 IEEE Bologna. IEEE， 2004.

[2]楊曉峰，鄭瓊林，薛堯，等.模塊化多電平換流器的拓撲和工業(yè)應用綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016（1）：1-10.

[3]姚致清，于飛，趙倩，等.基于模塊化多電平換流器的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[J].中國電機工程學報，2013（36）：27-33.

[4]周月賓，江道灼，郭捷，等.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內(nèi)部環(huán)流分析[J].中國電機工程學報，2012（24）：8-14.